CN108598690A - 毫米波Massive MIMO天线单元及阵列天线 - Google Patents

Abstract

毫米波Massive MIMO天线单元，包括从上到下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层、第四金属层、第六金属层和连接器；第一金属层包括两个寄生贴片；第二金属层包括两个辐射贴片；第四金属层包括两个功分器，两个功分器分别与两个辐射贴片电连接；第六金属层包括馈线，馈线与两个功分器电连接；连接器与馈线电连接。天线单元利用多层PCB技术，以及金属化过孔的层间互连技术，充分利用垂直空间。毫米波Massive MIMO阵列天线，包括按照8×16阵列排列的如前的天线单元，在行方向上相邻两行天线单元交错设置，在列方向上相邻两列天线单元交错设置，极化方式采用H极化，频段为28G。阵列天线，阵元间的互耦小、电性能优良，而且结构紧凑、成本低、可靠性高。

Description

毫米波Massive MIMO天线单元及阵列天线

技术领域

本发明涉及通信天线领域，具体的说是毫米波Massive MIMO天线单元及阵列天线。

背景技术

随着人们对无线通信要求越来越高，新一代移动通信系统5G已成为现阶段国内外研究的重点。5G最为直观的特点为超高速传输，此外还需满足超大带宽、超高容量、超密站点、超可靠性、随时随地可接入性等要求。要实现上述要求，会涉及多个层面的关键技术。在载波频段层面，根据香农定理C=Blog2(1+S/N)可知，数据速率与可用频谱息息相关。由于Sub 6G的频谱已经全部分配，故毫米波（26.5 GHz ~300 GHz）就吸引了广泛的兴趣。在物理层传输层面，Massive MIMO无线技术能深度利用空间维度的无线资源，显著提高系统频谱效率和功率效率。因此，将二者结合后，毫米波Massive MIMO无线技术成为应对 eMBB（Enhance Mobile Broadband：增强移动带宽）用例的绝佳选择。毫米波Massive MIMO天线是毫米波Massive MIMO无线技术的关键部件，为能实现大规模商用，对毫米波MassiveMIMO天线提出了更高的要求，分别是：结构紧凑、电性能优异、低成本、高可靠等。以应用于eMBB场景，频段为28G（ITU标准规定其频率范围为：27.5 GHz~29.5 GHz），水平波束指向为60度的MIMO天线为例，波束指向已决定了阵元间距，应用频段已限定了天线单元的物理尺寸，再加上有源系统的结构设计受限于频段和工艺，导致天线单元和馈电网络可布局的空间十分有限。

目前国际上Massive MIMO系统有两种常用实现方式：一种是天线和有源电路先模块化，再混合集成，另一种是天线和有源电路直接集成。两种方案各有优劣，混合集成由于可以模块化，故在工艺和成本上占优，且容易定位性能问题所在，不足之处是尺寸更大；直接集成在尺寸上占优，更符合未来小型化要求，但是相应的工艺较为复杂、成本较高。受限于当前的工艺水平，也基于成本考虑，更多时候MIMO系统会倾向于混合集成，因此，如何减小混合集成Massive MIMO系统天线的体积成为了当前研究的重点。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种毫米波Massive MIMO天线单元，充分利用垂直空间，可同时实现结构紧凑、电性能优异、低成本、高可靠等优点；本发明同时提供一种应用该毫米波Massive MIMO天线单元的阵列天线，阵元间的互耦小、电性能优良，而且结构紧凑、成本低、可靠性高。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：毫米波Massive MIMO天线单元，包括从上到下依次间隔设置的第一金属层、第二金属层、第四金属层、第六金属层和连接器；所述第一金属层包括两个寄生贴片；所述第二金属层包括两个辐射贴片；所述第四金属层包括两个功分器，两个功分器分别与两个所述辐射贴片电连接，一个功分器、一个辐射贴片和一个所述寄生贴片对应组成一个天线阵元；所述第六金属层包括馈线，馈线与两个所述功分器电连接，从而使两个所述天线阵元电连接；所述连接器与所述馈线电连接。

进一步地，所述第一金属层的上方还设置有第一介质层；所述第一金属层和第二金属层之间还填充有空气；所述第二金属层和所述第四金属层之间还从上到下依次设置有第二介质层、第一粘合介质层、第三金属层和第三介质层；所述第四金属层和所述第六金属层之间还从上到下依次设置有第二粘合介质层、第四介质层、第五金属层、第三粘合介质层和第五介质层；所述第六金属层的下方还设置有连接器。

进一步地，所述第三金属层包括第一公共金属接地面，第一公共金属接地面上蚀刻出两个第一绝缘隔离环，两个所述功分器分别通过两个第一金属化过孔与两个所述辐射贴片电连接，两个第一金属化过孔依次穿过所述第二介质层、所述第一粘合介质层、第三金属层和所述第三介质层，且两个第一金属化在穿过第三金属层时分别穿过两个第一绝缘隔离环。

进一步地，所述第四金属层还包括两个第一金属连接件和一个第二金属连接件。

进一步地，所述第五金属层包括第二公共金属接地面，第二公共金属接地面上蚀刻出一个第二绝缘隔离环，第二公共金属接地面与所述第一金属接地面之间通过三组第二金属化过孔相连接，每组第二金属化过孔设置为若干个，第二金属化过孔依次穿过所述第三介质层、所述第四金属层、所述第二粘合介质层和所述第四介质层，其中两组第二金属化过孔在穿过第四金属层的时候分别穿过两个所述第一金属连接件实现电连接，另外一组第二金属化过孔在穿过第四金属层的时候穿过所述第二金属连接件实现电连接。

进一步地，两个所述功分器通过一个第三金属化过孔与所述馈线电连接，第三金属化过孔依次穿过所述第二粘合介质层、所述第四介质层、所述第五金属层、所述第三粘合介质层和所述第五介质层，且第三金属化过孔穿过第五金属层时从所述第二绝缘隔离环中穿过。

进一步地，所述第六金属层还包括一个第三金属连接件和一个焊盘，所述馈线通过焊盘与连接器电连接，所述第二公共金属接地面和所述第三金属连接件以及焊盘之间通过若干个第四金属化过孔相连接，第四金属化过孔依次穿过所述第三粘合介质层和所述第五介质层，所有第四金属化过孔均与第三金属连接件电连接。

毫米波Massive MIMO阵列天线，包括按照8×16阵列排列的如前所述的天线单元，在行方向上相邻两行天线单元交错设置，在列方向上相邻两列天线单元交错设置，极化方式采用H极化，频段为28G。

进一步地，两个相邻的所述天线单元之间的水平方向间距为0.48个波长、垂直方向间距为0.72个波长。

进一步地，所述阵列天线呈长方形，天线长边的长度为99mm，天线短边的长度为58.4mm。

有益效果：

1、本发明提供一种毫米波Massive MIMO天线单元，采用微带贴片天线，重量轻、剖面低、易制造、易集成；基于该天线阵元，本发明采用二合一的方式通过功分器把两个阵元合并成一个天线单元，减少接头数量，降低成本；进而，本发明的天线单元采用上下多层的结构，能够充分利用垂直方向空间，使得水平方向空间充足，可以把辐射贴片、功分器和连接器三者有效分开，使得结构紧凑，布局灵活，可适用于较大波束指向的MIMO天线；

2、本发明提供一种毫米波Massive MIMO阵列天线，采用三角阵排布，可减小阵元间的互耦，获得较好的端口隔离和回波损耗，而且具有结构紧凑、电性能优异、低成本、高可靠性等优点，适用于大规模商用。

附图说明

图1是本发明毫米波Massive MIMO天线单元的多层结构示意图；

图2是本发明毫米波Massive MIMO天线单元的侧视图；

图3是本发明毫米波Massive MIMO天线单元的俯视图；

图4是本发明毫米波Massive MIMO天线单元的立体图（不含焊盘和接头）；

图5是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的俯视图；

图6是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的仰视图；

图7是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的天线波束指向0度E面图；

图8是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的波束指向60度E面图；

图9是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的某一端口的回波损耗仿真和实测对比图；

图10是本发明毫米波Massive MIMO阵列天线的其中一端口的回波损耗示意图。

附图标记：101、第一介质层，102、第一金属层，103、空气，104、第二金属层，105、第二介质层，106、第一粘合介质层，107、第三金属层，108、第三介质层，109、第四金属层，110、第二粘合介质层，111、第四介质层，112、第五金属层，113、第三粘合介质层，114、第五介质层，115、第六金属层，201、寄生贴片，202、辐射贴片，203、第一公共金属接地面，204、第二公共金属接地面，205、第一金属化过孔，206、带状线-微带线屏蔽孔组合，207、第三金属化过孔，208、辐射贴片-带状线屏蔽孔组合，209、微带线屏蔽孔组合，210、焊盘孔组合，211、第二金属化过孔，212、第四金属化过孔，301、连接器，302、功分器，303、馈线，304、焊盘，501、第一绝缘隔离环，502、第二绝缘隔离环，503、第一金属连接件，504、第二金属连接件，505、第三金属连接件，601、天线长边，602、天线短边，603、水平方向间距，604、垂直方向间距。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至4所示，毫米波Massive MIMO天线单元，包括从上到下依次间隔设置的第一金属层102、第二金属层104、第四金属层109、第六金属层115和连接器301。

第一金属层102包括两个寄生贴片201，两个寄生贴片201均呈正方形，且边长等于0.5个介质波长，实际制造过程中，受制作工艺的影响，寄生贴片201的边长约等于0.5个介质波长即可。寄生贴片201用于增加天线谐振点，以扩展阻抗带宽。

第二金属层104包括两个辐射贴片202，两个辐射贴片202均呈正方形，且边长等于0.5个介质波长，实际制造过程中，受制作工艺的影响，辐射贴片202的边长约等于0.5个介质波长即可。

第四金属层109包括两个功分器302，两个功分器302均为带状线功分器，两个功分器302分别与两个辐射贴片202电连接，一个功分器302、一个辐射贴片202和一个寄生贴片201对应组成一个天线阵元。

第六金属层115包括馈线303，馈线303采用微带传输线，馈线303与两个功分器302电连接，两个天线阵元的功分器302共同与一个馈线303电连接从而使两个天线阵元电连接。

连接器301与馈线303电连接，连接器301选用SMPM接头的接口方式与TR组件进行对接，便于装拆。

本发明的天线单元中，天线阵元采用微带贴片天线，重量轻、剖面低、易制造、易集成；基于该天线阵元，本发明采用二合一的方式通过功分器302把两个阵元合并成一个天线单元，减少接头数量，降低成本；进而，本发明的天线单元采用上下多层的结构，能够充分利用垂直方向空间，使得水平方向空间充足，可以把辐射贴片202、功分器302和连接器301三者有效分开，使得结构紧凑，布局灵活，可适用于较大波束指向的MIMO天线。

第一金属层102的上方还设置有第一介质层101，第一金属层102覆在第一介质层101的下表面上，形成第一层PCB板。

第一金属层102和第二金属层104之间还填充有空气103，空气103与寄生贴片201配合，对阻抗带宽进行扩展，在本发明其他的实施方式中，空气103也可以替换成泡沫。

第二金属层104和第四金属层109之间还从上到下依次设置有第二介质层105、第一粘合介质层106、第三金属层107和第三介质层108。第二金属层104覆在第二介质层105的上表面，形成第二层PCB板。第三金属层107覆在第三介质层108的上表面、第四金属层109覆在第三介质层108的下表面，形成第三层PCB板。第一粘合介质层106将第二介质层105和第三金属层107粘接在一起，从而将第二层PCB板和第三层PCB板粘接固定。

第四金属层109和第六金属层115之间还从上到下依次设置有第二粘合介质层110、第四介质层111、第五金属层112、第三粘合介质层113和第五介质层114。第五金属层112覆在第四介质层111的下表面，形成第四层PCB板。第六金属层115覆在第五介质层114的下表面，形成第五层PCB板。第二粘合介质层110将第四金属层109和第四介质层111粘合在一起，从而将第三层PCB板和第四层PCB板粘合固定。第五金属层112和第五介质层114粘合在一起，从而将第四层PCB板和第五层PCB粘合固定。

本发明采用多层PCB技术，能够大幅度节省空间，有利于减小天线单元的体积。在材质方面，所有金属层的材质均选择为铜，所有介质层选材原则为：（1）从电气的角度，选用高频段低Df、高Dk以及Lopro的板材，低Df和Lopro是为了降低馈电网络线损，高Dk是为了使得天线阵元小型化，有利于布局和降低阵元间的互耦；（2）从结构工艺的角度：①选用材质较硬的板材，多层板压合后不易翘曲或折弯；②选用板材CTE与铜CTE接近的，在高低温或温循时铜箔可保持尺寸相对稳定；③选用抗剥离强度高的，接头在测量或实验中与TR组件多次时不易剥离。

第三金属层107包括第一公共金属接地面203，第一公共金属接地面203上蚀刻出两个第一绝缘隔离环501，两个功分器302分别通过两个第一金属化过孔205与两个辐射贴片202电连接，因此第一金属化过孔205又名辐射贴片-带状线探针，两个第一金属化过孔205依次穿过第二介质层105、第一粘合介质层106、第三金属层107和第三介质层108，且两个第一金属化在穿过第三金属层107时分别穿过两个第一绝缘隔离环501，故不会与第一公共金属接地面203连接。

第四金属层109还包括两个第一金属连接件503和一个第二金属连接件504，第一金属连接件503和第二金属连接件504均呈半圆形，并且两端都设置为圆角，第一金属连接件503的内径与第一绝缘隔离环501的半径相等。

第五金属层112包括第二公共金属接地面204，第二公共金属接地面204上蚀刻出一个第二绝缘隔离环502，第二绝缘隔离环502的半径与第二金属连接件504的内径相等。第二公共金属接地面204与第一金属接地面之间通过三组第二金属化过孔211相连接，每组第二金属化过孔211设置为若干个，每组的第二金属化过孔211均呈半圆形分布，第二金属化过孔211依次穿过第三介质层108、第四金属层109、第二粘合介质层110和第四介质层111。其中两组第二金属化过孔211的直径小于第一连接件503的宽度，命名为辐射贴片-带状线屏蔽孔组合208，两组辐射贴片-带状线屏蔽孔组合208在在穿过第四金属层109的时候分别穿过两个第一金属连接件503实现电连接。另外一组第二金属化过孔211的直径小于第二金属了连接件504的宽度，命名为带状线-微带线屏蔽孔组合206，带状线-微带线屏蔽孔组合206在穿过第四金属层109的时候穿过第二金属连接件504实现电连接。

两个功分器302通过一个第三金属化过孔207与馈线303电连接，因此第三金属化过孔207又称带状线-微带探针，第三金属化过孔207依次穿过第二粘合介质层110、第四介质层111、第五金属层112、第三粘合介质层113和第五介质层114，且第三金属化过孔207穿过第五金属层112时从第二绝缘隔离环502中穿过。

第六金属层115还包括一个第三金属连接件505和一个焊盘304，连接器301固定在焊盘304上，馈线303通过焊盘304与连接器301电连接，第二公共金属接地面204和第三金属连接件505以及焊盘之间通过若干个第四金属化过孔212相连接，第四金属化过孔212依次穿过第三粘合介质层113和第五介质层114，所有第四金属化过孔212均与第三金属连接件505电连接。第四金属化过孔212包括微带线屏蔽孔组合209和焊盘孔组合210。

辐射贴片-带状线屏蔽孔组合208与辐射贴片-带状线探针（即第一金属化过孔205）形成类似于同轴线结构，对辐射贴片202和功分器302之间的电磁信号起到导向和匹配的作用。带状线-微带线屏蔽孔组合206、微带线屏蔽孔组合209以及带状线-微带探针（即第三金属化过孔207）形成类似于同轴线结构，对带状线302和微带线303之间的电磁信号有导向和匹配的作用。焊盘孔组合210对连接器301和微带线303之间的电磁信号起到导向和匹配作用。

如图5和6所示，基于上述的毫米波Massive MIMO天线单元，本发明提供一种毫米波Massive MIMO阵列天线，包括按照8×16阵列排列的如权利要求1的天线单元，在行方向上相邻两行天线单元交错设置，在列方向上相邻两列天线单元交错设置，极化方式采用H极化，频段为28G。两个相邻的天线单元之间的水平方向间距603为0.48个波长、垂直方向间距604为0.72个波长，水平方向波束指向可达到±60°，垂直方向波束指向可达到±15°。整个阵列天线呈长方形，天线长边601的长度为99mm，天线短边602的长度为58.4mm。

本发明的毫米波Massive MIMO阵列天线采用三角阵排布，可减小阵元间的互耦，获得较好的端口隔离和回波损耗，而且具有结构紧凑、电性能优异、低成本、高可靠等优点，适用于大规模商用。阵列天线在0°和60°方向图别发见图7和图8，可见副瓣抑制水平较高。其中一端口的回波损耗仿真和实测对比见图9，有必要说明的是：①仿真和实测结果差异，主要由于仿真没有添加SMPM接头进行整体仿真，但实测时是加上SMPM接头，并受到一系列测试件影响；②但无论如何，所有端口回波损耗实测结果≤-14dB，完全足够满足工程应用，并有一定余量。其中两端口的隔离仿真和实测对比见图10，有必要说明的是，所有端口隔离的实测结果均≥18dB。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：包括从上到下依次间隔设置的第一金属层（102）、第二金属层（104）、第四金属层（109）、第六金属层（115）和连接器（301）；

所述第一金属层（102）包括两个寄生贴片（201）；

所述第二金属层（104）包括两个辐射贴片（202）；

所述第四金属层（109）包括两个功分器（302），两个功分器（302）分别与两个所述辐射贴片（202）电连接，一个功分器（302）、一个辐射贴片（202）和一个所述寄生贴片（201）对应组成一个天线阵元；

所述第六金属层（115）包括馈线（303），馈线（303）与两个所述功分器（302）电连接，从而使两个所述天线阵元电连接；

所述连接器（301）与所述馈线（303）电连接。

2.如权利要求1所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：所述第一金属层（102）的上方还设置有第一介质层（101）；

所述第一金属层（102）和第二金属层（104）之间还填充有空气（103）；

所述第二金属层（104）和所述第四金属层（109）之间还从上到下依次设置有第二介质层（105）、第一粘合介质层（106）、第三金属层（107）和第三介质层（108）；

所述第四金属层（109）和所述第六金属层（115）之间还从上到下依次设置有第二粘合介质层（110）、第四介质层（111）、第五金属层（112）、第三粘合介质层（113）和第五介质层（114）。

3.如权利要求2所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：所述第三金属层（107）包括第一公共金属接地面（203），第一公共金属接地面（203）上蚀刻出两个第一绝缘隔离环（501），两个所述功分器（302）分别通过两个第一金属化过孔（205）与两个所述辐射贴片（202）电连接，两个第一金属化过孔（205）依次穿过所述第二介质层（105）、所述第一粘合介质层（106）、第三金属层（107）和所述第三介质层（108），且两个第一金属化在穿过第三金属层（107）时分别穿过两个第一绝缘隔离环（501）。

4.如权利要求2所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：所述第四金属层（109）还包括两个第一金属连接件（503）和一个第二金属连接件（504）。

5.如权利要求4所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：所述第五金属层（112）包括第二公共金属接地面（204），第二公共金属接地面（204）上蚀刻出一个第二绝缘隔离环（502），第二公共金属接地面（204）与所述第一金属接地面之间通过三组第二金属化过孔（211）相连接，每组第二金属化过孔（211）设置为若干个，第二金属化过孔（211）依次穿过所述第三介质层（108）、所述第四金属层（109）、所述第二粘合介质层（110）和所述第四介质层（111），其中两组第二金属化过孔（211）在穿过第四金属层（109）的时候分别穿过两个所述第一金属连接件（503）实现电连接，另外一组第二金属化过孔（211）在穿过第四金属层（109）的时候穿过所述第二金属连接件（504）实现电连接。

6.如权利要求5所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：两个所述功分器（302）通过一个第三金属化过孔（207）与所述馈线（303）电连接，第三金属化过孔（207）依次穿过所述第二粘合介质层（110）、所述第四介质层（111）、所述第五金属层（112）、所述第三粘合介质层（113）和所述第五介质层（114），且第三金属化过孔（207）穿过第五金属层（112）时从所述第二绝缘隔离环（502）中穿过。

7.如权利要求4所述的毫米波Massive MIMO天线单元，其特征在于：所述第六金属层（115）还包括一个第三金属连接件（505）和一个焊盘（304），所述馈线（303）通过焊盘（304）与连接器（301）电连接，所述第二公共金属接地面（204）和所述第三金属连接件（505）以及焊盘之间通过若干个第四金属化过孔（212）相连接，第四金属化过孔（212）依次穿过所述第三粘合介质层（113）和所述第五介质层（114），所有第四金属化过孔（212）均与第三金属连接件（505）电连接。

8.毫米波Massive MIMO阵列天线，其特征在于：包括按照8×16阵列排列的如权利要求1所述的天线单元，在行方向上相邻两行天线单元交错设置，在列方向上相邻两列天线单元交错设置，极化方式采用H极化，频段为28G。

9.如权利要求8所述的毫米波Massive MIMO阵列天线，其特征在于：两个相邻的所述天线单元之间的水平方向间距（603）为0.48个波长、垂直方向间距（604）为0.72个波长。

10.如权利要求8所述的毫米波Massive MIMO阵列天线，其特征在于：所述阵列天线呈长方形，天线长边（601）的长度为99mm，天线短边（602）的长度为58.4mm。